UNIVERSITI SAINS MALAYSIA

Second Semester Examination

2013/2014 Academic Session

June 2014

EEM 323 – INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT SYSTEM [SISTEM PERALATAN DAN PENGUKURAN]

Duration : 3 hours

Masa : 3 jam

Please check that this examination paper consists of FIFTEEN (15) pages of printed material

before you begin the examination.

[Sila pastikan bahawa kertas peperiksaan ini mengandungi LIMA BELAS (15) muka surat

bercetak sebelum anda memulakan peperiksaan ini]

Instructions: This question paper consists SIX (6) questions. Answer FIVE (5) questions. All

questions carry the same marks.

[Arahan: Kertas soalan ini mengandungi ENAM (6) soalan. Jawab LIMA (5) soalan. Semua

soalan membawa jumlah markah yang sama]

Answer to any question must start on a new page.

[Mulakan jawapan anda untuk setiap soalan pada muka surat yang baru]

“In the event of any discrepancies, the English version shall be used”.

[Sekiranya terdapat sebarang percanggahan pada soalan peperiksaan, versi Bahasa

Inggeris hendaklah diguna pakai]

…2/-

- 2 - [EEM 323]

1. (a) Discuss THREE common errors in the measurement unknown resistance using

Wheatstone bridge. Hence, state its main limitation.

Bincang TIGA ralat biasa dalam pengukuran rintangan yang tidak diketahui

menggunakan tetimbang Wheatstone. Seterusnya, nyatakan kelemahannya

yang utama.

(40 marks/markah)

(b) The Wheatstone bridge circuit is shown in Figure 1(b). Referring to this figure,

, and are pure resistors while is sensor resistor. The circuit employs a

galvanometer with internal resistance, as a detection device.

Litar tetimbang Wheastone ditunjukkan dalam Rajah 1(b). Merujuk kepada rajah

ini, , dan ialah rintangan tulen manakala ialah rintangan sensor. Litar

ini menggunakan galvanometer dengan rintangan dalaman, sebagai peranti

pengesan.

Figure 1(b) Rajah 1(b)

…3/-

Galvanometer, rg

ig R1 R2

R3 R4

VS

- 3 - [EEM 323]

(i) using the Thevenin theorem, draw the equivalent circuit of Figure 1(b),

showing clearly and ,

menggunakan teorem Thevenin, lakar litar setara litar Rajah 1(b), dengan

menunjukkan dengan jelas and ,

(15 marks/markah)

(ii) if , , and , calculate for

balance of the bridge,

jika , , dan , kira untuk

tetimbang dalam keseimbangan,

(15 marks/markah)

(iii) if changes by 1% from the balanced condition, calculate the current

flowing in the galvanometer ,

jika berubah sebanyak 1% daripada keadaan keseimbangan, kira arus

yang mengalir di dalam galvanometer,

(15 marks/markah)

(iv) calculate new in order to ensure 90% of the power transferred to the

load.

kira yang baru untuk memastikan 90% kuasa dipindahkan kepada

beban.

(15 marks/markah)

…4/-

- 4 - [EEM 323]

2. (a) Explain the operation of Junction Field Effect Transistor (JFET) as a switch. State

one advantage of JFET over bipolar transistor for use in the switching applications.

Terangkan operasi Transistor Simpang Kesan Medan (JFET) sebagai suis.

Nyatakan satu kelebihan JFET berbanding transistor dwi-polar dalam penggunaan

pensuisan.

(40 marks/markah)

(b) A JFET based sample and hold circuit is shown in Figure 2(b)(i). In this figure Vin is

the step input with amplitude, K as shown in Figure 2(b)(ii).

Litar sampel-dan-pegang berasaskan kepada JFET ditunjukkan di dalam Rajah

2(b)(i). Dalam rajah ini Vin adalah input langkah dengan amplitud K seperti yang

ditunjukan dalam Rajah 2(b)(ii).

Figure 2(b)(i) Figure 2(b)(ii)

Rajah 2(b)(i) Rajah 2(b)(ii)

…5/-

K

- 5 - [EEM 323]

(i) explain how Figure 2(b)(i) works as a sample and hold circuit,

terangkan bagaimana Rajah 2(b)(i) berfungsi sebagai litar sampel-dan-

pegang,

(10 marks/markah)

(ii) derive the output voltage, ,

terbitkan voltan output, , (30 marks/markah)

(iii) design the above circuit so that tracks within 0.5 % if the hold

time of 100 ns.

rekabentuk litar di atas supaya menjejaki di dalam 0.5 % jika

masa tunggu ialah 100 ns.

(20 marks/markah)

Given

Diberikan

3. (a) Explain the instrument functions “listen”, “talk”, “control” and “listen-talk” in the

GPIB system. Give one example for each instrument.

Terangkan fungsi peralatan “dengar”, “cakap”, “kawal” dan “dengar-cakap” di

dalam sistem GPIB. Beri satu contoh untuk setiap peralatan tersebut.

(40 marks/markah)

…6/-

-1

- 6 - [EEM 323]

(b) A computer-based instrumentation and measurement system based on GPIB or

IEEE 488 databus has been proposed. Figure 3(b) shows the arrangement. The

system comprises of a temperature sensor (TEMPSENS), output devices (OUTP1

and OUTP2) and a computer.

Sistem peralatan dan ukuran yang berasaskan kepada komputer dan sistem

GPIB atau IEEE 488 busdata telah dicadangkan. Rajah 3(b) menunjukkan

susunan. Sistem ini mengandungi penderia suhu (TEMPSENS), peranti-peranti

output (OUTP1 and OUTP2), dan komputer.

Figure 3(b)

Referring to Figure 3(b), TEMPSENS is digital sensor with the ability to measure

and transmit data at rate of more than 4 Mb/sec. Meanwhile OUTP1 and OUTP2

are both printers capable of printing data at consistent speeds of 2 Mb/sec and 3

Mb/sec respectively. Draw the handshake timing (DAV, NRFD and NDAC)

diagram showing clearly how data can be transferred from TEMSENS to OUTP1

and OUTP2. From this diagram, determine which instrument controls the overall

speed of data transmission. State your reason.

…7/-

COMPUTER

TEMPSENS OUTP1 OUTP2

- 7 - [EEM 323]

Merujuk kepada Rajah 3(b), TEMPSENS adalah penderia digital yang

berkeupayaan untuk mengukur dan menghantar data dengan kelajuan melebihi 4

Mb/saat. Manakala itu OUTP1 dan OUTP2 adalah kedua-dua pencetak yang

berkeupayaan untuk mencetak data dengan kelajuan yang konsisten sebanyak 2

Mb/saat dan 3 Mb/saat masing-masingnya. Lakar rajah salamtangan pemasaan

(DAV, NRFD and NDAC) dengan menunjukkan dengan jelas bagaimana data

dipindahkan daripada TEMSENS kepada OUTP1 dan OUTP2. Daripada rajah ini,

tentutukan peralatan mana yang mengawal kelajuan keseluruhan perpindahan

data. Berikan alasan anda.

(60 marks/markah)

4. (a) Give 2 considerations of parameter in selecting the flow meter and state the

reason.

Berikan 2 parameter yang perlu dipertimbangkan di dalam pemilihan meter alir

dan berikan alasan.

(10 marks/markah)

(b) State 2 types of positive displacement (PD) type of flow meter. Explain the

working mechanism for each type.

Nyatakan 2 jenis meter alir sesaran positif (PD). Terangkan mekanisma operasi

untuk setiap jenis.

(20 marks/markah)

…8/-

- 8 - [EEM 323]

(c) Refer to Figure 4(b),

Rujuk Rajah 4(b),

Figure 4(b)

Rajah 4(b)

(i) State the name and type of flow meter in Figure 4(b).

Nyatakan nama dan jenis alir meter di Rajah 4(b).

(10 marks/markah)

…9/- D

i

D

t

- 9 - [EEM 323]

(ii) Flow meter in Figure 4(b), the flow enters the bottom of a vertically

placed tapered tube and causes the float to move upwards. The float will

rise to a point in the tube where the drag force and buoyant force is

balanced by the weight of float. Thus, based to force balance equation of

the float

Aliran meter dalam Rajah 4(b), aliran masuk ke dalam bahagian bawah

tiub yang dipasang secara menegak dan menyebabkan apungan

bergerak ke atas. Apungan akan meningkat kepada satu titik dalam tiub

di mana daya seret dan daya apung adalah seimbang dengan berat

apung. Oleh itu, berdasarkan persamaan baki apungan

Fdrag + Fbuoyancy = Fweight

Derive the actual of rate of discharge

Terbitkan kadar alir yang sebenar

Qactual = K Diytan + K/4 (Di)2-Af

In your derivation assume Cd, At, Af, ff, f, g, Vf, pd, pu and K are

coefficient of the discharge, tube area, float area, flowing fluid density,

float density, gravity, pressures at the downward surfaces of the float,

pressures at the upward surfaces of the float and constant of the flow

meter in Figure 4(b), respectively. (Assume the (At-Af)/Af 1 and the

angle of taper is small)

…10/-

- 10 - [EEM 323]

Dalam terbitan anggapkan Cd, At, Af, ff, f, g, Vf, pd, pu dan K ialah

masing masing pekali kadar alir, luas tiub, luas apungan, ketumpatan

cecair mengalir, ketumpatan apung, graviti, tekanan di bawah permukaan

yang terapung, tekanan di permukaan menaik terapung dan tetap meter

alir seperti di dalam Rajah 4(b)

(Anggapkan (At-Af)/Af 1 and sudut tirus adalah kecil)

(30 marks/markah)

(iii) The flow meter in Figure 4(b) is metering to measure the gas with density

1000 kg/m3 and has a scale ranging from 1 to 100 l/min. The meter will be

installed in CHF3 gas piping which density flow of gas is 1.25 kg/m3 with a

flow range between 20 and 2000 l/min. Determine the density of the new

float, if the original one has a density of 2000 kg/m3. The shape and

volume of both floats is assumed to be the same.

Meter alir dalam Rajah 4(b) ialah meter untuk mengukur gas dengan

ketumpatan 1000 kg/m3 dan mempunyai skala yang terdiri dari 1 hingga

100 l / min. Meter tersebut akan dipasang di paip gas CHF3 yang aliran

ketumpatan gas ialah 1.25 kg/m3 dengan aliran di antara 20 dan 2000 l /

min. Tentukan ketumpatan apungan baru, jika yang asal mempunyai

ketumpatan 2000 kg/m3. Bentuk dan isipadu kedua-dua terapung

dianggap sebagai yang sama.

(30 marks/markah)

…11/-

- 11 - [EEM 323]

5. (a) Refer to Figure 5(a)

Rujuk Rajah 5(a)

Figure 5(a) Rajah 5(a)

(i) Explain the working mechanism for this pressure meter

Terangkan mekanisma operasi untuk meter tekanan

(10 marks/markah)

…12/-

- 12 - [EEM 323]

(ii) Assume A, Vc, Pc and VF are area of cross-section of capillary, volume of

gas in capillary, pressure of gas in the capillary C after compression and

volume of capillary and bulb till F. Derive the pressure

Anggapkan A, Vc, Pc dan VF adalah luas keratan rentas tiub, isipadu gas

dalam tiub, tekanan gas dalam tiub C selepas pemampatan dan isipadu

tiub dan mentol sehingga F. Terbitkan tekanan

(20 marks/markah)

(iii) A capillary diameter 1 mm, capillary and tube down to its opening equal to

90 cm3. Calculate the pressure indicated by a reading of 3 cm on the

capillary tube.

Satu garis pusat tiub rerambut 1 mm, tiub rerambut dan bawah tiub ke

pembukaannya sama dengan 90 cm3. Hitungkan tekanan yang

ditunjukkan oleh bacaan 3 cm pada tiub rerambut.

(20 marks/markah)

(b) Give 2 types of elastic transducer and example for each type.

Berikan 2 jenis transduser anjal dan contoh setiap satu.

(10 marks/markah)

(c) A variable capacitance pressure gauge has the following specifications:

diameter of clamped diaphragm = 20 mm, diameter of fixed electrode = 15 mm,

thickness of diaphragm = 1 mm, Young’s Modulus E of diaphragm material =

2.07 × 105 N/mm2, Poisson’s ratio, v = 0.3, and initial air gap = 1 mm. The

variable capacitance due to change of air gap, forms a part circuit of Figure

5(c). Determine the sensitivity (V/pa) of the instrument, given V = 12V and

R = 105.

…13/-

- 13 - [EEM 323]

Pemboleh ubah tolok tekanan pemuat mempunyai spesifikasi seperti berikut:

diameter gegendang diapit = 20 mm, diameter elektrod tetap = 15 mm, ketebalan

gegendang = 1 mm, Young Modulus E bahan gegendang = 2.07 × 105 N/mm2,

nisbah Poisson v = 0.3 , dan ruang udara asal = 1 mm. Perubahan pemuat

disebabkan oleh perubahan ruang udara dan membentuk sebahagian litar

daripada Rajah 5(c). Tentukan sensitiviti (V / pa) instrumentasi tersebut,

diberikan V = 12V dan R = 105 .

(40 marks/markah)

Figure 5(c)

Rajah 5(c)

6. (a) Explain operation mechanism for 3 axis accelerometer

Terangkan mekanisma operasi untuk meter pecutan 3 paksi

(10 marks/markah)

…14/-

(

a

)

(

b

)

- 14 - [EEM 323]

(b) In a seismic instrument, mass m = 100 g, spring stiffness = 1 N/mm. Damping

ratio= 0.4.

Dalam instrumentasi seismik, jisim m = 100 g, ketegangan spring = 1 N/mm.

Nisbah redaman = 0.4.

(i) Find the amplitude of recorded motion if the motion of be measured is

3 sin 200 t (mm)

Cari amplitud dirakam jika gerakan diukur ialah 3 sin 200 t (mm)

(ii) Find the maximum frequency for which instrument can be used as an

accelorometer-meter if the error is not to exceed 10%.

Dapatkan frekuensi maksimum bagi instrumentasi yang boleh digunakan

sebagai meter pecutan jika kesilapan itu tidak melebihi 10%.

(40 marks/markah)

(c) Refer to Figure 6(c),

Rujuk Rajah 6(c)

Figure 6(c)

Rajah 6(c)

…15/-

- 15 - [EEM 323]

(i) Explain the working principle of gear dynamometer

Terangkan peraturan kerja untuk dinamometer gear

(10 marks/markah)

(ii) In a gear box transmission dynamometer, the input and ouput shafts are

co-axial and rotate in the same direction at speeds of 1600 and 400 rpm,

respectively. An external torque is applied to the casing to prevent it from

rotating using a mass of 120 kg at a distance of 30 cm from the axis. The

overall mechanical efficiency is 90%. Find the power at the input shaft.

Dalam dinamometer penghantaran kotak gear, masukan dan keluaran aci

adalah bersama-paksi dan masing-masing berputar dalam arah yang

sama pada kelajuan 1600 rpm dan 400 rpm. Satu tork luaran digunakan

untuk selongsong untuk menghalangnya daripada berputar

menggunakan jisim 120 kg pada jarak 30 cm dari paksi. Kecekapan

mekanik keseluruhan ialah 90%. Cari kuasa pada aci masukkan.

(40 marks/markah)

ooo0ooo